玻璃幕墻越障清潔機器人

孫浩銘 賀可濤 郭輝 薛凱峰

【摘 要】目前，玻璃幕墻普遍采取人工清潔方式，清潔成本高、危險系數(shù)大、清潔效率低，因此這需要使用爬壁機器人代替人進行作業(yè)。綜上，本文介紹一種高效率的越障幕墻清潔機器人。這種幕墻越障清潔機器人包括機器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，卷揚機輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對玻璃幕墻的清理。

【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻清理;智能避障;STM32單片機

中圖分類號： TP242 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.009

0 前言

有數(shù)據(jù)顯示，目前中國建筑面積為500億平方米，其中幕墻建筑面積占5%，每年新建幕墻達9000萬平方米。國內(nèi)的幕墻清洗市場規(guī)模在百億以上。這個有百億規(guī)模的市場，卻一直主要依賴三種清潔方式：

（1）常見的“蜘蛛人“一人，一繩，一板，一桶的常見方式。

（2）通過升降平臺、吊籃等工具承載清潔工清洗。

（3）樓頂?shù)跛鬈壍老到y(tǒng)將插窗機對準(zhǔn)窗戶進行清潔。

前兩種效率低、勞動強度大、危險性高，第二種作業(yè)成本高;第三種初期投入高，還需要在建設(shè)時就將擦窗系統(tǒng)考慮在內(nèi)，因此并不現(xiàn)實。目前市面上最常見的是“蜘蛛人”人工清洗。高空幕墻清潔行業(yè)的從業(yè)者被稱為“蜘蛛人”，屬于高空作業(yè)，是高風(fēng)險的職業(yè)。有媒體報道，我國每年都有數(shù)以萬計的高空作業(yè)事故發(fā)生，其中死亡率高達80%以上。所以，機器人清洗代替人工清洗成為趨勢。

1 玻璃幕墻清潔機器人的主要結(jié)構(gòu)和功能

本幕墻越障清潔機器人主要包括機器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，卷揚機輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。

主框架是其他系統(tǒng)的搭載主體。

控制系統(tǒng)是整個機器的控制中心，利用單片機內(nèi)存儲的程序?qū)z測系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，卷揚機輔助系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)進行控制。使機器人具有手動控制清潔和自動清潔兩種模式。手動控制清潔模式為工作人員根據(jù)圖傳系統(tǒng)傳輸回地面的墻壁實時圖像，進行操控機器人對墻壁進行清潔;自動清潔模式為在單片機中寫入指定路線的程序，機器人按照指定路線清理墻壁。

檢測系統(tǒng)主要由傳感器組成，位于機器人前端，負責(zé)檢測樓體的邊緣，將信號傳給控制中心，控制中心控制運動系統(tǒng)改變前進線路，防止機器人掉落。

運動系統(tǒng)主要由涵道，電機和車輪組成，涵道將機器人吸附在墻上，電機帶動車輪旋轉(zhuǎn)使得機器人運動。

卷揚機輔助系統(tǒng)包括外框架、電動絞盤、滑軌、絲杠連桿A、滑塊--、滑塊二、繩索、水管、導(dǎo)線和定滑輪，所述滑軌、絲杠和連桿A均設(shè)置在外框架上，電動絞盤與滑軌上的滑塊一相連，定滑輪與連桿A上的滑塊二相連，纏繞在電動絞盤的鋼絲繩繞過定滑輪與機器人主框架相連。

圖傳系統(tǒng)主要由圖傳攝像頭，圖傳接收機，圖傳發(fā)射機和顯示屏組成。圖傳攝像頭安裝在機器人頭部，下部安裝舵機輔助攝像頭上下左右轉(zhuǎn)動。圖傳發(fā)射機位于機器人上與攝像頭相連，將攝像頭拍攝的畫面轉(zhuǎn)化成電磁波信號為無線傳輸給圖傳接收機。圖傳接收機位于地面，接收發(fā)射機無線傳輸過來的電磁波信號有線傳輸個顯示屏。顯示屏也位于地面，與接收機相連接收接收機傳過來的信號轉(zhuǎn)化成圖像信息。整個系統(tǒng)各部分配合運行完成將攝像頭所拍攝的圖像遠距離傳輸在顯示屏上的功能。

清潔系統(tǒng)包括噴射裝置、滾擦裝置和刮擦裝置。噴射裝置設(shè)置在機器人主框架的上端，滾擦裝置和 刮擦裝置與純機械自適應(yīng)越障裝置相連。噴射裝置包括高壓噴頭、皂液泵、管道混合器、高壓離心泵和濃縮清潔液，各部件通過橡膠軟管相連，皂液泵將濃縮清潔劑泵入管道混合器，與水混合，混合后的清潔液經(jīng)高壓離心泵從高壓噴頭處泵向墻面。滾擦裝置包括遮擋裝置、傳動裝置與滾刷裝置，遮擋裝置設(shè)置在滾刷裝置的上方，傳動裝置與滾刷裝置連接，傳動裝置由控制系統(tǒng)控制帶動滾刷裝置轉(zhuǎn)動。刮擦裝置為 “V”字型刮板， “V”字型傾角為15度，其下方開有小孔，小孔出水口通過橡膠軟管將污水導(dǎo)流至污水收集處理統(tǒng)。

污水收集處理系統(tǒng)包括污水收集裝置、液位傳感器和微型隔膜水泵。污水收集裝置與微型隔膜水泵通過橡膠軟管連接，刮擦裝置收集的污水在污水收集裝置中進行儲存，液位傳感器設(shè)置在污水收集裝置內(nèi)檢測污水收集裝置的水位，當(dāng)水位達到預(yù)先設(shè)定的高度時，微型隔膜水泵將儲存的水通過橡膠軟管泵入下水道。

純機械自適應(yīng)越障裝置主要包括放大機構(gòu)和限位機構(gòu)。放大機構(gòu)主要由長短彈簧組成，保證清潔系統(tǒng)時刻緊貼墻面。限位系統(tǒng)用于規(guī)范放大機構(gòu)的運動軌跡。純機械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接，控制清潔系統(tǒng)隨純機械自適應(yīng)越障裝置抬起或落下，使清潔系統(tǒng)的清潔面一直貼附于玻璃幕墻。

其大體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 主要創(chuàng)新點

此機器人的優(yōu)勢在于以下幾點：

（1）不僅僅局限于清潔玻璃幕墻，其他天然石材幕墻、金屬板幕墻、陶瓷幕墻均可清潔。

（2）機器人依靠位于四個角的涵道的強大吸力吸在墻上，因此要比采用磁吸附、真空吸盤等方法使機器人吸附在墻上的機器人要有更大的吸力，載重量更大，更加靈活。

（3）相對于其他機器人的單模式控制，本機器人具有手動控制清潔和自動清潔兩種模式。

（4）機器人具有的卷揚機輔助系統(tǒng)，保證了機器人不會墜落，以免發(fā)生意外事故。同時，樓頂卷揚機輔助系統(tǒng)可為機器人提供供水和供電，這將為機器人省去很大一部分重量，而且解決了機器人的續(xù)航問題。

（5）本機器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實現(xiàn)地面人員對機器人所處環(huán)境的實時監(jiān)控。

（6）本機器人上安裝的的檢測裝置可以使機器人檢測到樓里邊緣進而停止前進并完成下一步命令。

（7）本機器人上的清潔系統(tǒng)對墻壁進行清潔，刮鏟，污水處理系統(tǒng)對污水進行回收處理。阻尼器與清潔系統(tǒng)連接使用，保證清潔裝置可以越過障礙物。

3 結(jié)論

本幕墻越障清潔機器人主要包括機器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，卷揚機輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。機器人靠涵道的吸力吸在墻上，靈活且具有越障功能。樓頂具有卷揚機輔助系統(tǒng)，卷揚機繩索另一端固定在機器人上，保證了機器人不會墜落還可為機器人供水和供電。機器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實現(xiàn)地面人員對機器人所處環(huán)境的實時監(jiān)控。機器人上安裝的檢測裝置可以使機器人檢測到樓里邊緣進而停止前進并完成下一步命令。清潔系統(tǒng)對墻壁進行清潔，刮鏟，污水處理系統(tǒng)對污水進行回收處理。純機械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接使用，保證清潔裝置可以越過障礙物。各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合運行，具有成本低，效果好，易推廣使用等特點。

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